高灵敏度及稳定度的光纤消逝场氢浓度传感器及制备方法技术

本发明专利技术涉及光纤气体传感器，具体涉及高灵敏度及稳定度的光纤消逝场氢浓度传感器及制备方法；包括折射率为n1的光纤纤芯，折射率为n2的光纤包层、光纤保护层组成的光纤，以及周向设置在光纤上的传感器敏感区，所述传感器敏感区成圆柱筒形，其长度为0.5‑10cm，其厚度小于光纤的半径，传感器敏感区沿径向自内向外依次设有厚度均匀的掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层聚多巴胺膜层、氢敏感膜层和PTFE薄膜层，其中，掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层和多巴胺膜层嵌入光纤纤芯中，掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层折射率为n3，n2＜n1＜n3，采用本发明专利技术技术方案的消逝场光纤传感器，灵敏度高、性能稳定且能动态响应氢浓度变化信息。

Hydrogen concentration sensor and preparation method of high sensitivity and stability in the evanescent field of optical fiber

The invention relates to an optical fiber gas sensor, in particular to a high sensitivity and stability of the optical fiber evanescent field hydrogen sensor and preparation method; including the refractive index of the fiber core is composed of N1, optical fiber cladding, fiber protective layer N2 refractive index, and the circumferential region is disposed in the optical fiber sensor. The sensor sensitive area into cylindrical shape, its length is 0.5 10cm, whose thickness is less than the radius of the fiber sensor, the sensitive area along the radial direction from the inside to the outside is provided with a uniform thickness of Canada doped TiO2 thin resin layer polydopamine film, hydrogen sensitive film and a PTFE film, wherein the resin film layer and doped TiO2 Canada dopamine film embedded in the fiber core, doped TiO2 Canada resin film refractive index is N3, N2 < N1 < N3, the technical scheme of the invention the evanescent field of optical fiber sensor, High sensitivity, stable performance and dynamic response to the change of hydrogen concentration.

【技术实现步骤摘要】
高灵敏度及稳定度的光纤消逝场氢浓度传感器及制备方法
本专利技术涉及光纤气体传感器，具体涉及高灵敏度及稳定度的光纤消逝场氢浓度传感器及制备方法。
技术介绍
氢能源作为一种理想的新能源，具有重量最轻、燃烧热值高、导热性能好，燃烧过程清洁、无污染、能循环使用，氢能来源广泛，氢的生产不受时间和地域的限制等优点，目前已被广泛地应用于航空航天、新能源汽车、半导体制造和化工生产等领域。虽然氢能具有上述诸多优点，但是氢能仍未得到大规模广泛地应用，其主要原因在于氢能制造、存储、运输、监控等方面还存在许多技术瓶颈。其根源在于氢分子体积小，常温常压下密度小，氢能存贮时由于氢原子体积小容易发生泄漏；当空气中的氢气浓度达到4％～74.5％时，遇到明火便发生爆炸。因此，为了避免氢气爆炸事故的发生，实时在线地监测空气中氢浓度信息就显得尤为重要。目前，用于氢浓度在线测量的传感器主要有：电化学传感器、半导体传感器、光纤传感器等。电化学传感器和半导体传感器感知氢能力强，但使用时需外加电压，易产生电火花，引起爆炸，且受电磁干扰较大，结构复杂。而光纤传感器采用光信号，不易产生电火花，具有抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、体积小、重量轻、能实现远程检测等优点，而成为在线监测氢浓度的最有效方法之一。光纤氢气传感器的类型主要有光纤消逝场型、干涉型、微透镜型和布拉格光栅型等。消逝场型光纤氢敏传感器由于结构简单、易加工、成本低等优点，是近来发展比较迅速的一种光纤氢气传感器。此外，消逝场型光纤氢敏传感器是利用传感器敏感膜吸收氢气后，敏感膜光学性质(折射率)发生改变引起光纤与氢敏感膜界面消逝场吸收能量发生变化，从而导致光纤内部传输光强发生变化，通过检测光纤输出端光强的变化实现对氢气浓度的检测；因此，消逝场型光纤氢敏传感器检测系统具有结构简单、成本低、技术成熟等优点。虽然消逝场型光纤氢敏传感器及其检测系统具有上述诸多优点，但是由于传统消逝场型光纤传感器采用通信光纤作为光传输载体及氢感敏载体，通信光纤为光纤纤芯-包层结构；光纤纤芯折射率大、包层折射率小，这种结构将限制光束在光纤纤芯中传输，导致光纤表面光辐射强度及透射深度低，因此，传统消逝场型光纤氢敏传感器灵敏度低。此外，虽然目前常用的消逝场型光纤氢敏传感器的氢敏感膜钯(Pd)膜对氢气浓度变化信息响应速度快，但是钯膜易出现起泡、层错等现象，同时钯膜与光纤的结合力差，导致传感器性能不稳定，测量结果可靠性低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种灵敏度高、性能稳定且能动态响应氢浓度变化信息的消逝场光纤传感器，同时提供这种消逝场光纤传感器的制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提供高灵敏度及稳定度的光纤消逝场氢浓度传感器及制备方法，包括折射率为n1的光纤纤芯，折射率为n2的光纤包层、光纤保护层光纤组成的光纤，以及周向设置在光纤上的传感器敏感区，所述传感器敏感区成圆柱筒形，其长度为0.5-10cm，其厚度小于光纤的半径，传感器敏感区沿径向自内向外依次设有厚度均匀的掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层、聚多巴胺膜层、氢敏感膜层和PTFE薄膜层，其中，掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层和多巴胺膜层嵌入光纤纤芯中，掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层折射率为n3，n2＜n1＜n3。塑料光纤、掺杂TiO2加拿大树脂材料、气液分离材料、氢气敏感薄膜等材料制备出一种高灵敏度、性能稳定的氢浓度传感器。在制作传感器敏感区时，为了增强传感器敏感区表面发光强度，提高传感器灵敏度，首先利用光纤剥线钳将光纤纤芯直径为D1、长度为0.2-2m的塑料光纤中央区域长度为0.5-10cm的光纤保护层和光纤包层同时除去，然后采用乙酸将去除包层的光纤腐蚀至D1/5-D1/3；在腐蚀后的光纤表面涂敷厚度为50-250μm的掺杂TiO2加拿大树脂。其次，在制作氢气敏感薄膜时，为了增强氢敏感膜与传感光纤之间的粘附强度，制备出致密的氢敏感膜，提高传感器的稳定性和对氢浓度响应速率，利用聚多巴胺功能修饰法在传感器敏感区生长一层200-500nm的致密钯膜。然后，为了消除空气中水分子附着在钯膜表面从而对钯膜的腐蚀，在钯膜表面涂覆一层10-50nm的疏水聚四氟乙烯(PTFE)薄膜，PTFE薄膜可以实现气液分离，避免空气中的水分子吸附到氢敏感膜表面对氢敏感膜的腐蚀或污染，从而进一步提高传感器的灵敏度、稳定性及使用寿命。本专利技术公布的消逝场光纤氢浓度传感器，由于在传感器敏感区分别涂敷了掺杂TiO2加拿大树脂薄膜、聚多巴胺膜、氢敏感膜和PTFE薄膜，从而能提高消逝场光纤氢浓度传感器的灵敏度、稳定性和响应速率，本专利技术公布的消逝场光纤氢浓度传感器可广泛地应用于气相和液相环境中氢浓度的在线测量。作为优选方案，光纤纤芯的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，折射率n1为1.49；光纤包层的材料为氟树脂，折射率n2为1.40；光纤保护层的材料为聚乙烯，光纤纤芯的直径D1为0.125-10mm；光纤包层的厚度D2为100-200μm，光纤保护层的厚度D3为0.5-2mm。作为优选方案，所述氢敏感膜层为钯膜，所述保护膜层为PTFE薄膜层。作为优选方案，所述掺杂TiO2加拿大树脂膜的厚度为50-250μm，所述聚多巴胺膜的厚度为2-10nm，所述氢敏感膜的厚度为200-500nm，所述保护膜层的厚度为10-50nm。本申请同时提供制备这种消逝场光纤传感器的方法，包括有如下步骤：(1)光纤的选择及光纤连接器的制备：首先，选取长度为0.2-2m的光纤，光纤纤芯的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，折射率n1为1.49；光纤包层的材料为氟树脂，折射率n2为1.40，光纤纤芯直径D1为0.125-10mm；光纤包层厚度D2为100-200μm，光纤保护层厚度D3为0.5-2mm；然后，分别在光纤的两个尾端连接上光纤耦合器，通过光纤耦合器便于光纤一端与光源相连，光纤另外一端与光谱仪或光功率计相连。(2)去除光纤包层和光纤保护层：采用光纤剥线钳将连接有光纤耦合器的塑料光纤中心长度为0.5-10cm的光纤保护层和光纤包层去除。(3)部分光纤纤芯的腐蚀：首先，采用蒸馏水冲洗去除光纤包层的光纤区域5-10min；其次，采用蒸馏水和乙酸配制成塑料光纤腐蚀剂，腐蚀剂中乙酸的浓度为80％-100％；然后，采用腐蚀剂对蒸馏水清洗干净的光纤区域进行腐蚀，腐蚀后的光纤纤芯的直径为D1/5-D1/3；最后，将腐蚀后的光纤采用蒸馏水冲洗5-10min，并保存在真空袋中备用。(4)掺杂TiO2加拿大树脂涂敷光纤的制备：首先，将质量为1g的加拿大树脂溶解于10-50ml的二甲苯溶液中制备出加拿大树脂溶胶；然后向该溶胶中加入质量百分比为0.5-10％的锐钛矿型TiO2纳米颗粒，TiO2纳米颗粒直径为5-1μm；其次，将掺杂TiO2的加拿大树脂在摇匀仪中摇匀后，均匀地涂敷在腐蚀后的光纤纤芯的表面，在温度10-50℃干燥至恒重后，掺杂TiO2的加拿大树脂膜的涂敷厚度为50-250μm。(5)聚多巴胺涂敷光纤的制备：首先，配制出pH为8-9，浓度为4g·L-1的聚多巴胺溶液；其次，将聚多巴胺溶液均匀地涂敷在掺杂TiO2加拿大树脂涂膜的表面，常温干燥后聚多巴胺膜的厚度为2-10nm。(6)氢敏感膜涂敷光纤的制备：首先，将涂敷有聚多巴胺的光纤区域浸泡于氯化本文档来自技高网...

【技术保护点】
高灵敏度及稳定度的光纤消逝场氢浓度传感器，包括折射率为n1的光纤纤芯，折射率为n2的光纤包层、光纤保护层组成的光纤，以及周向设置在光纤上的传感器敏感区，其特征在于：所述传感器敏感区成圆柱筒形，其长度为0.5‑10cm，其厚度小于光纤的半径，传感器敏感区沿径向自内向外依次设有厚度均匀的掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层、聚多巴胺膜层、氢敏感膜层和PTFE薄膜层，其中，掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层和多巴胺膜层嵌入光纤纤芯中，掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层折射率为n3，n2＜n1＜n3。

【技术特征摘要】
1.高灵敏度及稳定度的光纤消逝场氢浓度传感器，包括折射率为n1的光纤纤芯，折射率为n2的光纤包层、光纤保护层组成的光纤，以及周向设置在光纤上的传感器敏感区，其特征在于：所述传感器敏感区成圆柱筒形，其长度为0.5-10cm，其厚度小于光纤的半径，传感器敏感区沿径向自内向外依次设有厚度均匀的掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层、聚多巴胺膜层、氢敏感膜层和PTFE薄膜层，其中，掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层和多巴胺膜层嵌入光纤纤芯中，掺杂TiO2加拿大树脂薄膜层折射率为n3，n2＜n1＜n3。2.根据权利要求1所述的高灵敏度及稳定度的光纤消逝场氢浓度传感器，其特征在于：光纤纤芯的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，折射率n1为1.49；光纤包层的材料为氟树脂，折射率n2为1.40；光纤保护层的材料为聚乙烯，光纤纤芯的直径D1为0.125-10mm；光纤包层的厚度D2为100-200μm，光纤保护层的厚度D3为0.5-2mm。3.根据权利要求1所述的高灵敏度及稳定度的光纤消逝场氢浓度传感器，其特征在于：所述氢敏感膜层为钯膜，所述保护膜层为PTFE薄膜层。4.根据权利要求1、2或3所述的高灵敏度及稳定度的光纤消逝场氢浓度传感器，其特征在于：所述掺杂TiO2加拿大树脂膜的厚度为50-250μm，所述聚多巴胺膜的厚度为2-10nm，所述氢敏感膜的厚度为200-500nm，所述保护膜层的厚度为10-50nm。5.一种制备如权利要求1所述传感器的方法，其特征在于包括有如下步骤：(1)光纤的选择及光纤连接器的制备：首先，选取长度为0.2-2m的光纤，光纤纤芯的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，折射率n1为1.4...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟年丙，刘宝玉，田永超，罗彬彬，赵明富，曾学忠，曾伍阳，赵首领，申会文，蒋斌，丰红波，袁源，
申请(专利权)人：重庆黄桷树光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50